自动变速器换挡操作的最优控制.docx

自动变速器换挡操作的最优控制

摘要

本文提出了自动变速器换挡操作的一种最优控制策略。从一个典型的动力传动机构的验证模型出发，针对乘坐舒适性和输出控制，展开叙述了自动变速器换挡过程的控制方法。通过利用动态规划方法，阐述了换挡操作的多阶段决策过程，因此，在最终的操作过程中，变速箱的同步是作为约束被定义的，通过对每个阶段的性能评价衡量，各个阶段的控制规律都以一个确定的形式分析得出。仿真结果表明，在不同的驱动负载情况下的换挡舒适性有显著的提高。此外，通过应用最优控制，换挡时间和摩擦损失也大大减少。#2001年，富兰克林研究所。爱思唯尔科学有限公司版权所有。

关键词：传动系动力学，自动变速器，最优控制，换挡操作，乘坐舒适性

1、前言

随着舒适性要求不断提高，为降低燃油消耗率以及发挥更多高功率机会，与最优控制相结合的越来越多电子设备被使用。因此，汽车已经成为非常复杂的机电一体化系统，许多动力传动系组件都必须同时控制。图一显示了电子汽车管理所需的一个控制器区域网络，它是负责汽车不同电子装置之间数据交换的一部分。在这项工作中，我们将集中在不同电子设备之间的换挡过程控制，一般是通过控制油浸式离合器和制动器执行。评价换挡品质的主要指标是换挡过程的持续时间和一些新兴的加速度变化措施。

图1汽车电子控制的自动变速器

在换挡操作中，两个离合器同时工作时，一个离合器结合，另一个离合器处于分离状态。离合器压力由电子控制单元决定，并由变速箱的液压装置提供。同时，通过延迟汽车电子设备的点火时间或调整节气门开度使得发动机的扭矩降低，换挡元件的啮合和分离会导致系统伴有时变，并且还需要有一个合适的控制方法，它能够能够处理这些变化。

在【1,2】自动变速器换挡的基本原理是用一个简单的模型来描述的，同时在【3,4】中也提出了带有多元时变结构系统的自动变速器详细的动力传动系建模的有效方法。

一种基于滑模控制的方法应用于离合器之间转换控制器的开发。在【6】中，，Ricatti方程的应用减少了在换挡过程中的冲击和耗散损失。尽管仿真结果表明耗散损失减少，但就平滑加速度而言无法观察到明显的改善，其主要原因在于使用性能指标，其计算结果从一个非最优的参考前馈控制所产生的系统的实际和参考状态轨迹之间的差异。在【7】中提出了自适应控制方法，控制变量为负载减少和离合器压力，两者被插入到由发动机和液力变矩器中涡轮的扭矩和速度决定的特征谱中，这种方法改善了另一个涡轮速度反馈控制器的叠加，上述特征谱描绘的是一组采样点，并且在【8】中提出了一种离线使用基于模型的优化来优化谱图的方法。

在本文中，我们提出了一种新的基于模型的控制方法，它是建立在由Bellman【9-11】所开发的动态规划方法的基础上，这种方法目的是确定一个对于换挡时间确定的最优控制律，从而减弱自动变速器在换挡过程的冲击。

2、机械模型

仿真程序的数值实现是通过将整个系统分解成子系统来实现的，这样可以展示出力学模型模块化结构的特定优势。装有自动变速器的传动系一般由五个主要部分组成：发动机、变矩器、变速箱、驱动桥和车轮，传动系的每个组件可以被视为一个刚性多体子系统，刚性体之间通过理想的刚性节点、离合器和力元素相互连接（图2）。

图2传动系统模型

2.1发动机

在换挡舒适性的研究中，发动机的高频振动可以被忽略。因此，发动机可视为一个刚性旋转体，由发动机所引起的传动系励磁用它的转矩来表示即

上式可以从被测量的二维特征谱图（图3）中得出，并作为节流阀开度αTH和发动机转速φM的函数关系，

式中β表示在换挡过程中发动机的减负荷，换挡外的β设置为0，扭矩MP

图3发动机特性谱图

2.2液力变矩器模型

液力变矩器是由泵轮、涡轮和叶轮组成，其中泵轮与输入轴连接，涡轮与输出轴连接，叶轮穿过单向离合器在腔内转动。

由于该组件仅有的传输方式很特别，可由力的定律来描述，根据速度比γ和扭矩比μ（图4）的公式

和被给定的输入和输出速度φP和φ

泵轮本身的扭矩可以通过扭矩特征MPCγ来计算，扭矩特征是用固定的泵轮转速φ

2.3变速箱模型

这里所研究的变速箱是一个五档变速箱，为了模拟仿真从一挡到二档的换挡过程，我们采用简化模型，如图5所示，这样，只考虑一挡（指数1）和2挡（指数2）功率流的齿轮和轴，JE和J

图4液力变矩器及其特性曲线

图5动力传动系统模型

一挡传动比i1=i1Ei1A，其中一挡齿轮传动比i

处于一挡时，运动的换挡部件是单向离合器，二挡动力传输是通过一个湿式离合器实现的，若离合器压力足够高，湿式离合器能够传递整个输入力矩，此时，单向离合器处于分离状态，其相对速度为0，离合器压力不断增加，直到湿式离合器的相对速度为0，此时完全接入二挡。

变速箱的运动方程为

力矩M1和M2的确定取决于换挡部件的操作状态，单向离合器的相对速度可表示